光接收器性能评估毕业生文献翻译

光电技术系光电技术系光电技术系光电技术系毕业生文献翻译毕业生文献翻译毕业生文献翻译毕业生文献翻译光接收器性能评估光接收器性能评估光接收器性能评估光接收器性能评估论文作者姓名论文作者姓名论文作者姓名论文作者姓名申请学位专业申请学位专业申请学位专业申请学位专业电子科学与技术电子科学与技术电子科学与技术电子科学与技术申请学位类别申请学位类别申请学位类别申请学位类别工学工学工学工学学士学士学士学士指导教师姓名（职称）指导教师姓名（职称）指导教师姓名（职称）指导教师姓名（职称）论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2008年年年年6月月月月10日日日日光接收器性能评估光接收器性能评估光接收器性能评估光接收器性能评估在光传送系统中，在作系统功率预算时一个很重要的参数是光接收器灵敏度，定义为给定误码率BER下的最低平均光功率。要设计出一个好的光接收器，准确理解将会影响接收器总体灵敏度的各种不同参数非常重要。本文深入分析了整个接收器的光灵敏度，以及在幅度和定时两个方向上，由于随机噪声和符号间干扰ISI的累积，而造成的潜在功率损失。分析是基于标准的接收器灵敏度，并假定一个理想的输入信号，忽略ISI、上升/下降时间、抖动和发送器的相关强度噪声RIN等因素的不良影响。存在存在存在存在ISI时的时的时的时的Q因子因子因子因子一个典型的光接收器由光电探测器、互阻放大器、限幅放大器以及时钟数据恢复单元组成。图1给出了简化的光接收器模型。接收到的光信号首先被转换为光电流，并由互阻放大器TIA放大。限幅放大器的作用类似于“判决”电路，在此，抽样电压VT和判决门限VTH相比较。在这个数据判决点，由于随机噪声和ISI的积累，信号显著恶化，由于眼图闭合，导致错误判决。要知道数据判决点眼图开度和BER之间的关系，首先需要了解幅度噪声的统计特性。通常，作为一个品质因数，我们采用信号Q因子来衡量信号的质量，并由它来确定BER。如果不存在ISI失真，并且主要的幅度噪声具有高斯分布，那么信号Q因子定义为其中V1，V0是不考虑ISI时，VT的高、低电平平均值，1、0分别是高、低电平上具有高斯分布的加性白噪声的均方根值RMS。在一个实际的接收器实现中，由于有限的接收器带宽、基线的漂移或有源元件的非线性，ISI总是存在的。如果我们在数据判决之前监视信号眼图，就会发现，除了随机噪声，信号还有一定量的幅度边界波动，这就是由ISI引起，表现出很强的模式相关性。为了估计由ISI所引起的光灵敏度损失，一个简单的办法就是考虑最坏情况下的幅度噪声分布。具体做法就是分别将高斯分布的平均值从V1和V0下移到V1VISI和V0VISI。假定VISI是ISI所引起的垂直方向眼图闭合量图2。在此情况下，通过计算最坏噪声分布情况下的BER，可以获得信号Q因子。假定判决门限已按照最低BER得到了优化，Q因子和眼图垂直闭合量VISI的关系如下所示QBER是在给定的BER下，最低要求的Q因子。基于等式3，QBER和BER之间的关系用曲线示于图3。通常我们在实验室测量的是信号的峰峰差分摆幅VPPV1V0），并假定10NRMS，因此Q因子变为其中其中NRMS是限幅放大器输入端的等效RMS噪声。等式4表明，Q因子代表存在ISI时，眼图垂直开度与RMS噪声的比率。在光接收器的设计中，因ISI的存在而导致Q因子的降低，将会造成光功率的损失或基底误差的上升。光灵敏度估计光灵敏度估计光灵敏度估计光灵敏度估计要获得最佳的光灵敏度，重要的是要在数据判决之前最大化信号的Q因子。下面，我们以采用实际器件的具体实现为例，考虑当存在接收器总随机噪声、ISI和CDR抖动容差时，如何精确估计接收器的光灵敏度。实例包括一个10GBPS接收器和一个25GBPS接收器，采用MAXIM器件。接收器总接收器总接收器总接收器总RMSRMS噪声损失噪声损失噪声损失噪声损失为了估计接收器总RMS噪声对于光灵敏度的影响，我们必须知道，要达到规定的BER，需要输入TIA的最小峰峰电流表示为IPP。在随机噪声分析中，我们假定VISI0，将VPPIPPXRF和NRMSNTOTALXRF代入等式4，得到NTOTAL是TIA输入端的总等效RMS噪声，由TIA的等效输入噪声NTIAARMS、限幅放大器的等效输入噪声NLAMVRMS、以及TIA的小信号互阻增益RFK决定。其关系如下在实践中，限幅放大器LA的等效输入噪声并没有明确给出，不过，NLA可以根据限幅放大器的输入灵敏度VLA满足规定BER所需的最小差分峰峰信号摆幅估算得出。一般来讲，限幅放大器的灵敏度取决于等效输入噪声NLA、直流偏移或有限带宽造成的ISI。然而，由于大多数限幅放大器采用了直流偏移纠正环来获得高灵敏度，并且小信号带宽远高于TIA，因此可以认为，随机噪声是制约限幅放大器灵敏度的主导因素。在此条件下，NLA可以由下式来估算根据图3，当QBER7时BER1012。假定光探测器的响应度为单位A/W，并且接收到的光信号的消光比为RE，那么光调制幅度OMA可由下式得到光灵敏度由下式给出以MAX3970，MAX3910和MAX3912为例，这些10GBPSTIA具有11ARMS的典型等效输入噪声，但具有不同的互阻增益。如将这些器件与不同灵敏度的限幅放大器配合使用，所获得的接收器整机光灵敏度各不相同。假定085A/W，RE66SONET的最低消光比要求，计算所得的光灵敏度如图4所示。如果我们采用由TIA等效输入噪声得到的光灵敏度不含LA作为一个参考点，接收器总随机噪声造成的光功率损失，就是TIA/LA组合的光灵敏度与参考点之差。举例来讲，MAX3971是一个10GBPS的限幅放大器，BER1012时的输入灵敏度为95MVPP。当MAX3970TIA和MAX3971一起使用时，光功率损失大约为21DB。而当MAX3912TIA和MAX3971一起使用时，光功率损失仅有003DB。另一个例子是25GBPSSFP接收器模块，它由一个光探测器、一个25GBPSTIA和一个紧随其后的限幅放大器组成。对于此种应用，MAXIM提供一系列的TIAIC，例如MAX3267、MAX3271、MAX3275、MAX3277以及MAX3864等。图5显示了MAX3267NTIA0495ARMS，RF19K，MAX3864NTIA049ARMS，RF275K和MAX3277NTIA03ARMS，RF33K分别与不同灵敏度的限幅放大器一起使用时的光灵敏度。可选的25GBPS限幅放大器包括MAX3265、MAX3269、MAX3272、MAX3765、MAX3861以及MAX3748。用户可以根据性能、成本或封装等方面的要求，选择不同的TIA和限幅放大器组合用于不同的SFP模块。符号间干扰损失符号间干扰损失符号间干扰损失符号间干扰损失在光接收器中，ISI主要有以下来源有限的高频带宽；交流耦合或直流偏移纠正环造成的不够充分的低频截止点；带内增益起伏；或者TIA与限幅放大器互连之间的多次反射。ISI失真因不同的接收数据模式例如PRBS2311，K285，8B/10B编码而异。ISI会在幅度和定时两个方向造成眼图的闭合。如果我们定义造成垂直方向眼图闭合的ISI为那么最低要求的TIA输入电流与ISI的关系用下式表示ISI损失定义为，存在ISI时的光灵敏度与ISI0的理想情况相比二者之差。计算结果示于图6中。对于10的ISI失真，光功率损失为046DB。综上所述，以DB为单位的总光功率损失为ISI损失和总随机噪声损失二者之和。CDR抖动容差损失抖动容差损失抖动容差损失抖动容差损失随着信号通过接收器放大级进入限幅级，幅度噪声被转换成为数据中点交叉处的定时抖动。随机抖动和确定性抖动源于随机性噪声、有限的带宽、通带纹波、群延时变化、交流耦合以及不对称的上升/下降时间。这些抖动因素的综合作用，降低了可供无差错数据恢复使用的眼图开度。这样，CDR的抖动容差就成为另一个决定光灵敏度的重要因素。CDR抖动容差表示容许在输入数据中加入多大的峰峰抖动，而不会因为数据与时钟未对准而发生差错。对于基于PLL的CDR设计，有一个最低数据眼图开度要求，它由时钟对数据的采样位置、再定时触发器的建立/保持时间和鉴相器的特性决定。假设随机抖动为RJRMS，总确定性抖动为DJPP，以及在规定BER下CDR的最低眼图开度要求为TOPEN，那么，定时Q因子定义为CDR最低眼图开度要求和Q因子的关系见图7所示。要达到规定的BER，对应的最小QBER可在图3中找到。当CDR输入端的抖动频率高于PLL带宽时，CDR抖动容差记为JTPP和TOPEN的关系如下为了避免降低光灵敏度，CDR的高频抖动容差应该满足依赖于过渡沿的斜率，随机抖动RJRMS由信号过渡沿上的加性白噪声引起。假定对称限幅前的上升/下降时间20到80等于TR，随机抖动可由下式估计其中，TR取决于整个接收器的小信号带宽BWTOTAL。按一阶低通滤波器考虑在光接收器的输入端，限幅放大器之前的TIA可以认为是线性的。这样，随机抖动可表达为TIA输入峰峰电流与总RMS噪声之比的函数利用等式18，限幅放大器输出的随机抖动作为TIA输入电流/噪声比的函数，用曲线方式示于图8。CDR抖动容差造成的光灵敏度损失可以组合等式15和18进行估算，解出IPP得到我们再次以OC192接收器为例。假定087A/W，RE66，整个接收器的小信号带宽为70GHZ，NTOTAL11ARMS，以及ISI0。图9显示了在不同的CDR抖动容差BER1012下可实现的光灵敏度。通常来讲，要达到规定的BER，最低TIA输入电流应该在幅度和定时两个方向上满足QBER要求。结语结语结语结语要估计